dynamic simulation of cyclic batch anaerobic digestion of cattle manure

9
Dynamic simulation of cyclic batch anaerobic digestion of cattle manure A. Keshtkar a,b , H. Ghaforian a , G. Abolhamd b , B. Meyssami b, * a Renewable Energies Development Center, Tehran, Iran b Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Tehran University, P.O. Box 11365-4563, Tehran, Iran Received 23 June 2000; received in revised form 29 March 2001; accepted 7 April 2001 Abstract Cyclic batch reactors with periodical feeds and extractions, are often used in cattle manure anaerobic digestion. The dynamic behavior of this type of reactor was simulated in this study. The kinetic model developed by I. Angelidaki et al. [Biotechnol. Bioeng. 42 1993) 159], together with microbial growth kinetics, conventional material balances for an ideally cyclic batch reactor, liquid±gas interactions, and liquid phase equilibrium chemistry were used in this study. The model showed good agreement with the experi- mental data of R.I. Mackie and M.P. Bryant [Appl. Microbiol. Biotechnol. 43 1995) 346], and R. Borja et al. [Chem. Eng. J. 54 1994) B9]. The eects of hydraulic retention time HRT), organic loading rate, reactant concentrations, feeding interval, and initial conditions such as pH and ammonia concentration on process performance can be evaluated by the dynamic model. Also simulation results show that the equilibrium conditions can be considered for CO 2 distribution between liquid and gas phases, especially for processes with long retention times. Ó 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. Keywords: Anaerobic digestion; Cyclic batch reactor; Mathematical model; Cattle manure 1. Introduction The application of anaerobic digestion has received growing attention in recent years as a suitable method for the generation of energy and treatment of municipal, agricultural and industrial wastewaters. Important fac- tors responsible for expansion of anaerobic digestion technology in developing as well as developed countries are environmental conservation, irregular increase of wastes resulting from human activities, correct use of available natural resources, rapid depletion of vital re- sources, air pollution resulting from wood and fossil fuel combustion, and ®nally, the vital requirement to use renewable energy resources. Animal production facilities are ideal for the application of anaerobic digestion to convert cattle manure to biogas for energy generation and fertilizer. Anaerobic digestion is a natural process whereby bacteria existing in oxygen-free environments decom- pose organic matter. As a result of this digestion, organic material is stabilized and biogas that primarily contains methane and carbon dioxide is released. The overall process includes a large number of individual reactions, which are carried out by various enzymes and facultative and anaerobic microorganisms. How- ever, various reactions taking place in the process of anaerobic digestion can be divided into four dierent stages consisting of hydrolysis, acidogenesis, aceto- genesis and methanogenesis. Several temperature ran- ges exist for the anaerobic digestion process: a thermophilic zone above 45°C), an intermediate or mesophilic zone 28±45°C), and a psychrophilic zone below 25°C). Cattle manure is a complex substrate containing soluble and insoluble organic matter such as polysac- charides, lipids, proteins, and volatile fatty acids Georgakakis et al., 1974). The long retention time re- quired for cattle manure digestion is not only attributed to the presence of complex organic compounds, but also to the high concentration of ammonia nitrogen that aects anaerobic decomposition Kugelman and McCarty, 1965; Zeeman et al., 1985). The compounds such as cellulose, hemicellulose and liginin are usually dicult-to-digest components. Noike et al. 1985) showed that the maximum rate of methane formation was reduced by a factor of 50 when glucose feed was replaced by cellulosic feed, showing the importance of Bioresource Technology 80 2001) 9±17 * Corresponding author. 0960-8524/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. PII: S 0 9 6 0 - 8 5 2 4 0 1 ) 0 0 0 7 1 - 2

Upload: a-keshtkar

Post on 05-Jul-2016

212 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Dynamic simulation of cyclic batch anaerobic digestion of cattle manure

������� �������� � ����� ����� ��������� ��������� � ����� �����

�� �������� ���� �� ��� ����� �� �� ������� �� �� �������� ���

� ��������� ������ ���������� ������ ������ ���� �������� �� �������� ��������� ������� �� ��������� ����� ���������� �� � !�" ##$%&'(&%$� ������ ���

�������� ! "�� ###$ �������� �� ������� ��� % ����� ##&$ ����'��� ( �'�� ##&

��������

)���� ����� �������� *��� '�������� ���� ��� �+���������� ��� � ��� ��� �� ����� ����� ��������� ���������� ,�� �������

�������� � ���� ��'� � ������� *�� ������� �� ���� ����� ,�� ������� ���� �����'�� �� -� ��������� �� �� .���������� �������

/ 0&%%!1 &2%3� �������� *��� �������� ���*�� ��������� ����������� ������� ������� �� �� ����� ����� ����� �������� �4��5���

������������� ��� �4�� '���� �4������ ��������� *��� ��� �� ���� ����� ,�� ���� ���*�� ���� ��������� *��� ��� �+'���6

����� ���� � ��-� ������ ��� ��7� ������ .�''� ��������� ���������� /! 0&%%21 !/83� ��� �� ���9� �� �� .)���� :��� "� 2/

0&%%/1 �%3� ,�� �;���� � ������� ��������� ���� 0��,1� ������� ������ ����� �������� ��������������� ������ �������� ��� ������

���������� ��� �� '� ��� ������� ������������� �� '������ '�� ������� ��� �� ������� �� ��� ������� ����� ��� ��������

����� ���* ���� ��� �4������ ���������� ��� �� ���������� �� )< ����������� ���*��� �4�� ��� ��� '������ ��'����� ��

'�������� *��� ��� ��������� ������ � ##& :������ =������ >��� � ������ ���������

)����*�+ ��������� ���������$ )���� ����� �������$ ����������� ����$ )���� �����

� ���� ������

,�� �''������� � ��������� ��������� ��� �����������*��� ��������� �� ������ ����� �� � ������ ������ �� ��� ���������� � ������ ��� ��������� � �����'���������� ��� �������� *����*������ -�'������ ��6���� ���'������ �� �+'������ � ��������� ������������������ �� �����'��� �� *� �� �����'�� ����������� ������������ ������������� ������� �������� � *����� ������� ��� ���� ����������� ������� �� � ������� ����� ��������� ��'�� ��'����� � ���� ��6������� ��� '����� ������� ��� *��� ��� ���� ����������� ��� ?���� ��� ���� ��4������� �� ������*��� ������ ��������� ����� '�������� ����������� ���� �� ��� �''������� � ��������� ��������� ��������� ����� ����� �� ������ �� ������ ������������� �����@���

��������� ��������� �� � ����� '������ *�������������� �+������ �� �+����6 ��� ������������ �����6'��� ������� ������� �� � ���� � ���� ����������������� ������� �� ������@�� ��� ������ ���� '��������������� ������� ��� ������ ���+��� �� �������� ,��

����� '������ ������ � ���� ����� � ������������������ *���� ��� ������� �� �� ������ ��@������� �������� ��� ��������� ��������������� ��*6����� ������ ��������� ������ '��� �� ��� '������ � ��������� ��������� ��� �� ������� ���� �� ��;����������� ���������� � ���������� ������������� �����6������� ��� ��������������� =����� ���'������ ���6��� �+��� �� ��� ��������� ��������� '������A �������'���� @��� 0����� /2�)1� �� ������������ ������'���� @��� 0 B5/2�)1� ��� � '������'���� @���0���* 2�)1�

)���� ����� �� � ���'�+ �������� �������������� ��� ������ ������� ������ ��� �� '�����6��������� �'���� '�������� ��� ������ ���� �����0����������� �� ��� &%(/1� ,�� ��� ��������� ���� ��64���� �� ����� ����� ��������� �� ��� ��� ����������� ��� '������� � ���'�+ ������� ���'����� �� ����� ��� ���� ������������� � ������� �������� �����;���� ��������� �����'������� 0������ �����)����� &%82$ C����� �� ��� &%B21� ,�� ���'������� �� ������ ��������� ��� ������ ��� �����D��6��6������ ���'������� E���� �� �� 0&%B21���*�� ���� ��� ��+��� ���� � ������� ��������*�� ������ �� � ����� � 2# *��� ����� ��� *����'���� �� ������ ���� ���*��� ��� ��'������� �

���������� ,�������� B# 0 ##&1 %5&(

�)�����'������ ������

#%8#6B2 /F#&FG 6 ��� ���� ������ � ##& :������ =������ >��� � ������ ���������

7--A = # % 8 # 6 B 2 / 0 # & 1 # # # ( & 6

Page 2: Dynamic simulation of cyclic batch anaerobic digestion of cattle manure

��� ��������� ����� ����� ����������� � ���'�+ ��������� ���'���� �� ����� ������ ��������� �������� ��� ��)���� 0&%821� ��� ��+����� � ��������������� �''���� �� �� ��H����� �� '�� ��� �� '����� ���� �� B � ������������� � &2# ��F ��� ����+�� �� ��� '������� C����� �� �� 0&%B21 ��� ���� ���� ������� �������� ������������� � ! �F� ������������������ �� ���� ��D��� ��������� ��� ������ 0&%%!1���*�� ���� �� ������� ������������� � / � EF ������������ ����� ��������� � ����� ������ ,��� ������*�� ���� ��� ������� �� ��� ������ ���'����������� ����������� ,�� ��� ������� ���������������'���� ����� �� ��� ���� ������� �����������������'������� ��� '�� ,�� '� �� � ������ � ��� ��6��������� �������������� �������� � ��� ������� ���6���� � )< �� ��� �������� ��� ��� ��� ������������� � ������ ���� ������ - ��� ������ � �������� ���*��� �������6 ������ �������� ��� ��� �������6 ������ ���������� '���� ���� ���6' � ����� ����� ��� ��� '�*� ����� �� ���'� ���������� ���� ���� ��� ����

���� ����� �� �D����� �������� ��� �;����� ��'������� �;��� ��� �;��� � ����� ������ ��*����� ����� ��6������� � ����� ������ ��'�� '� ������� �� �����'������ ����� ���� ��� ���� �������� �� �� ��� �����;����� ��'����� � ��� ����� ��� ��� ��������������*��� ��� �������� ������ ���� ����� ��� '�� -�6������ ��� '������ ����� ��*��� �� ��������� ����������� *���� �� � ��������� *���� ��� '������ �� ����� ��*��� � �*�� ������� ���� 0��������� ��� �������&%%!1�

,�� ��� � ���� ���� *�� �� �� ��� �+���� ���������������� ��� ��� �������� �����'�� �� ����������� �� 0&%%!1 �� ����'���� ��������� ��������� � ���������� �� ������� ������� � ����� ����� ������������ *� ���'��� ��� '�� ������� � ����� ��+�� ��6������ ���� ��� ������� ���� �4������ �� � ���������� ������� ��� � ��������� ������� ���� �������0)=,�1� -� �������� �������� ����� ���* ���� ����4������ ���������� ��� �� ���������� �� )< ���6�������� �� �4�� ��� ��� '������

������������� �������� ����� ���� �������� �����&�� �4�� ������������� 0��F1�� �������� � ������������� 0��F1�)< � ��� )< �4�� ������������� 0��F1)<� ������� �+���� ������)=,� �������� ������� ���� �������� �������� �������� ������� �� ������ ����

�������� ��� H�* ���� 0F���1�� ������ ����� �� ���� 0��F���1� �'�� '� ������, �����I� �������� 0��� F��1��, ������� ��������� �����# ������������ ���� �������� ��� �� :4� 0&&1

�����&��� ������������ ���������� ���������� �������� 0��F1�� ���� ����� �� ���D����� �����&��� ����� ��������� �������� 0��F1� ��� �������� ��� �� :4� 0&1� ���� � ��� �� �������- ��� ����� �� ���� 0��F ���1� '������ 0���1'�� �������� ��� �� :4� 0&#1'� �������� ��� �� :4� 0&#1�� ��� ������� '�������� ���� 0��F ���1� ������ ����� � ����� ����� �������� ��� �������� 0��� F�� �1=J= ���� ������ ������ ���� 0���1�� ������� ���� � ������ 0���1� ���'������ 0�1

,J= ���� ������ ������� ��� ���� � ������� 01� �4�� ���� � ������� 01�� ���� �+������� ��� ����� ����� �������

01JK� ������ ���� �����J== ������ ��'����� �����. �������������� ������������� 0�F1� ��� ������� � ��� '������ ���� ����� ��� �� :4� 0&1� �'���?� ���*�� ���� �����&����+ ��+��� �'���?� ���*�� ���� �����&�

/���������� ��������� �������� ���������� ���������� ������ ��������� ���������� ���������7 '��'������ ��������� ���������� ���������� �������� ������ ���+���� �L��� ���� ���'����� �� ������ ����������� ������ ��������� �������� ������������ ��������'� '��'������� ���� ��������� ����* *����

&# 0� )����1� �� ��� 2 !�������� ��������� 34 5644#7 89#:

Page 3: Dynamic simulation of cyclic batch anaerobic digestion of cattle manure

� �� �� ����������

6�#� !�������� ������� 1�������

,�� ������� ���� '�������� ���� ������� �������'���� ��������� ��������� � ����� ����� �� ������ ����� ������� ���� '������ '��������� ��� ������������ =������������ �� ��������� �� �� 0&%B 1 ��������'�� �� ��������� �� �� 0&%%!1 ��� ���� ��� ����� ��������� ���������� ,�� ������� ���� ������������?�� '��������A ��������� � '�������� �������� ���+������� ��@����� �����'���� � ���� ��6������� �� ���������� ��������� �����'���� � ������ ���� ����� 0JK�1 ��� �������� � ������� �� '��'��6���� ��� ������� ��������� ���������� ��������� ���?��� �����'���� � ������� ��� ������� ������������ ������������ ��������� ,�� ���� ������ JK����������� � ��� ��������� ���'� ������� ���������� � ������������� ���'�� ��� ������� ���������� � ��� ����6�������� ���' ��� '� ���������� � � �������� ���'��-� ��� ���� ��� '������ ��������� �� ��� ����� �����'�������� �� ���� 0�1 ��� ������ 0��1 ����������������� *��� ��� ����� ���� �)8�&#<2�� ����)8�&#<2 � �E�!���� ���'�������� �������� �� ���� ����'�������� �� ��� ��'����� ���� )2�(< E� �������������� ��� �� ��*�A

�)8�&#<2 � �E�!��� � ���)8�&#<2��� �&� ����)8�&#<2 � E�!��� � ��� �&� ����E�!

�&�

�)8�&#<2�� � #�&&&2E�! � #�&&&2)2�(E<

� #�(//)�!)<<� � #�2)�!)� )<<�

� #�//#%)�!�)� � )<<� � #�8%#%)<

� #�# 2/� < � �

)�!)� )<<� � #�#8&%BE�! � #�!&/� <

� #�#8&%B)2�(E< � #�%!/2)�!)<<�

� #�88#/)�/ � #�&8#()< �!�

)�!�)� � )<<� � #�#82!E�!

� #�22/!)< � #�22/!� < � #�#82!)2�(E<

� &�B%#%)�!)<<� � #�//2 )�/ �/�

)�!)<<�� #�# E�! � #�# )2�(E<

� #�%/2)�/ � #�%/2)< � #�#88� < �2�-� �������� 0&1� �� �� ��� ��@������ �D������ �� ���� ����� ��� ��� ������'� M��I ��'������� ��������������� ������� �������� ,�� ���D������ ��� �� ��� �� ��6������ *��� ��� ����� � ���� �� ������ ����������'��� �� ��� ��'� � ������

,�� �����'���� � ���� ��������� ��� ����������� �� *� �� ��� ���*�� � ��������� ����������������� ������ �� ���� �����6��'� ��������� 7�������� � ��������� ��� ������� ����� ��� ��������� �� ?���6��6��� ���������� :4������ �� �'���?� ���*�� ����� �� ��� �� �������� ���'� ��� �� *������ ��A

�� ���+�

��

��� � ��

���'��� �8�

��7 ���+�7

�'�

��'� � �'�

��'�

��'� � ���

��7�'��� �(�

��� ���+��

���

���� � ���

����

���� � ���

����'��� �B�

�� ���+�

���

���� � ���

����

���� � ���

���'��� �%�

*���� � �'�� �� ��� '� �������� ������ ��� ��6������� �� � �������� '� ������ ������@�� �� ���� ���� � &�# �� ��� ������ ��� 0��������� �� ��� &%%!1A

� �'�� &� &##�2�'��'���

&� &#�'��'��� � &#�'��'�� � �&#�

*���� '� ��� '�� ������ ��� �*�� ��� ''�� '����'6�; ���� *���� ��� ���*�� ����� ��� �''��+�6����� 2#N � ��� ���������� ����� -� ������� ��� ��6�D������ '� ��� '�� ��� ��;����� �� ������ �����������'��

6�6� ������ ����� ��������� �;�������

-� �� ���� ����� ����� �������� � ���� � ������� ��'��� ��������� �� ��� �������� ,�� ��+��� ��������� ��� ��� �������� ����� '��� �� � '����� � ������ ���*����� � ���� � ��� ������� ��������� �4� ������ ���������� �� �+������� ��� ��� �������� ,�� ��6������ ����� �� ��+�� *��� � ��* �������� � ��� ����� ��*��� ���� *��� ��� ���� �������� ���� �� �� ���'������ ���� � ��� ������ ������ ��� *��� ��� ���������������������� ��� ��� ���� �� � ��� ��'� ����� ��� ��� ��� �'������� ���������� ��� ��'� ��������� ���������������� � ��� '������ �� ��� �+������� ������� ����� �������� ����� O���� ����� ����������� ��������� �� �� 4���6������ ������

,�� �4������ ��� ������'���� ���� ��* ��'������ ����'��� ���� � ��� ����� ����� �'�������� ����������� �� ���'�� -� ��� ?��� ���' ��� ������� �� �'�����������6*��� �� � ���� �� *��� ���*� ������ ����������� -����� ���' ��� ���� ������ �4������ �� ��� �4�� '����� � ��������6���� ����� ����� �������� �� ��������������� ���� ��������� ���� �������� ���� '��'��6����� ���� �������� ���� �������� ��� ���� �4��)< ��� �� ��*�A

����

�� ��#

��JK�

���� � �'� � ���� � ��JK�

���� �&&�

0� )����1� �� ��� 2 !�������� ��������� 34 5644#7 89#: &&

Page 4: Dynamic simulation of cyclic batch anaerobic digestion of cattle manure

���

�� ���#

��JK�

���� � �'� � ���� � ��JK�

���

� &

&&! #�&&&2���� �& �

����

�� #�(//

#�&&&2���

�� #�%!/2

#�#8&%B��7�7

� &�B%#%

#�#82!����� � &

#�# ���

��&&!� �&!�

��'�

�� #�2

#�&&&2���

�� &

#�#8&%B��7�7

��&&!� �&/�

����

�� #�//#%

#�&&&2���

�� &

#�#82!�����

��&&!� �&2�

����

�� ��� �&� �����#

��JK�

���� � �'� � ���� � ��JK�

���

����� � ��7�7 � ����� � �����&&!��&8�

���

�� #�8%#%

#�&&&2���

�� #�&8#(

#�#8&%B��7�7

#�22/!

#�#82!�����

� #�%/2

#�# ��� � �� �)< �

�� ����

���&&!� �&(�

:4�� 0&&150&(1 ��� *������ �� � ���� ������ ,�� ������������� '��� �� � ���� �� ��� ���� �� ��� ������ ���' ����� �� � ��� �������� ��+��� �� ������� ��� ����������$ ��� ����� �� ����������@�� �� �������� � �� ������ ���� -� ��� ����� ���' ��� ������� �� ?�� ' ��������� ��� *��� ��� ����������@�� �� �� � ,�� ����6���� ��+��� �� ��+�� �� ��� ��� ���' ��� ��� ���������������� �� ��� ��* ���� ��� ��������� �� ��� ���6����A

��� �� � ���

� &� �&B�

,�� ����� M I �� ��?��� �� ��� ��������� ���� �� ���������� ������� �� ��� ���� �+�������A

� � ����

� �&%�

-� ��� �� ������ ���� ��� ���� �� ������� ����������� ��+��� �'�������� �� �������� ���'���� �� �������� � ��� ����� �'�������� K�� ��� ���� � '���������'������ ���*��� ��� ����� ����� �'������� ���)=,� *� ��� �������� ��� ���� ������� ������������� 0��,1 �� ���� �������� ,��� ���A

�� ���� � #�

��, ��� � &�

��, ��� � &�� � �,�� ��� � �� ��� �� ��� ������ ��� ��� �������

0#� ��,1� ����� � �#���� ���'�������� ,�� ��� � � � ������'���� �� )=,� ��� # ������� ��6'����� �����6*��� �'��������

6�$� <������� ���� ������� �;�������

,�� ������ ���� ������ �4����� ��� �� ����������� �������� � ���� ���' � �������� �� ��� ������ ���'� � ����� ����� ������� �� '�������� ���*A

��

�� ��� � ���� � �� �7� ��� �� � !�

*���� �� �� ��� ����� ���� ��������� ��� �� ������ �� ��2N � ��� ��+��� ���*�� ������ ,�� ������ ������������� ������������� �� ����� �� � ������� � J==�������������� ��� ������ ����������� � ��� 4������ � �������� �������� �� ��� �������� �� ���� ��� ������ ��� ������� � ���� ������ �������� -� �������� *� ���������� ��� �� ��� �� ��� ����

6�(� =�� ����� ���� ������� �;�������

,�� ������ '�������� ���� ��� ������� ������� ����� ������� �� ��� ������� ������ � ��� ��� '���� � ��� �������� ,�� ���'����� ������ �� �� ��*�A

�����

��� � ����� � /�*���� �� �� ��� ����� �� ����� ��� �� �� ��� ������� � ��� � �� ��� ������ ������� -� ��� ���� ��� ��*�������'����� *��� ���� ���� ��� ��� '����A&� ������ �������� �������� ������ ���+���� ��� *����� � ������ ��*� �� ���� ���������!� ,��'������ ��� ��� ���� ��� ������ ���������/� P���� ��'�� �� ��� ������ ������ �� �� ���������

������2� ������� ��� �* ������� �� ��� �4�� '����� )��6

�������� ��� ����� ����'����� ��� ��*��� �+'���6����� ��� �� *������A

�� �

�����

��� � ������� � 2�

�� �

�����

��� � ����

��� � 8�

�� �� �)< ��

� ����

�� � (�

�� #�88#/

#�#8&%B��7�7

�� #�//2

#�#82!�����

� #�%/2

#�# ���

��&&!� � B�

& 0� )����1� �� ��� 2 !�������� ��������� 34 5644#7 89#:

Page 5: Dynamic simulation of cyclic batch anaerobic digestion of cattle manure

,�� ����� ������ ����� ��� ��� '���� ���� �� ��� ��*��� �+'������� �� ���� ������ H�* ����A

�� ����� � �*

��� � ���� � %�

-� ���� ���� �� *� �� ���*� �� �������� ����� � ��� �4������ ��������� �� )< �� �4�� '���� �� ���������� ����'���� �� '�������� *��� ��� ���������������

6�&� ��� �, �����������

K�� �''���� '� ���������� �;���� �� ��� ������� �����+'�������� ��� �� �������� � ��� ������� ��������� ���+��� �� ��� �4�� '����� ��� '� ����������*��� ���� ���� �� �������� K�� ���� '�'��� �������� ������ ������ 0:4� 0!#11 ���� �� ��������������� ������ ��� �������������� � ����� ���'������� ���� ��� ������� � '� ��������� �� :4�� 0!&150!(1�

��� � � E��/

� � <��� � � �)<�!

� �� )< �!

� �� ���� � � 7�

�� �� ���� � � ��)�� �

�!#�

)< �� < �)<�! ��� ��&

�)<�!

� ���� �

)< � ��!&�

�)<�! )< �

! ��� �� )< �

!

� ���� �

�)<�!

� � �! �

��� ��� ��� ��! ���� � ��� ����� � �!!�

�7� 7����� ��/ 7��� � ��� �

�7�� � �!/�

��� ��� ��� ��2 ���� � ��� ����� � �!2�

E��/ E�! ��� ��8 E�!� � ��� �

E��/

� � �!8�

� < <�� ��� �* <��� � ��� � �!(�

-� :4� 0!#1 ��� ���� � ���)��� *���� �� ��� ���������� � ��� ������������� � ����� ����� ���'���� ����� '������� �� ������ �� �� ����'������ � ���� ���������� ��� ������ '� � ��� �������

6�%� ������� �����������

K�� ������� '��������� � ����� ����� ������������������ �� ��;����� �'������� ���������� ��� ��� ���������� ��� �;��� � ��;����� '������ '���������� ������� ��������� �� ���� '�'�� *�� '��������� �� ��������@�� ��� �� K������� *���� � ������� ����� � ���'�� ���������� ���'������� ��������� ��� ���������������� � ������� ��� �� �'���?�� ������ �� ��6'� ?�� ,�� �������������� � ������ ��� ������������� ��� ������� �� ���� ��� ���� ��'� J=�� )<� ���� ��� ��*��� ��������A

��� ,J=� =J=� &8 � &(�

� �!B�

�� =J=� 8#��� � (/�'� � BB���

&8 � �!%�

)��������� ������ ����� �� ,��� & *��� ��� ����'� �������� �������������� ����� �� ����� � )<����������������

=�������� *��� '�� ����� �� ������ ?���6���������������� � ��� ������� �4������ *��� � ?+�� �������' �� � ���'��� '������ ����� �� :��I� �������K�� ���� ���' � ��� ������ ������������ '� ����*��� ������� �� ��������� ������ � :4�� 0!#150!(1 ���� �� ��������� ������4� ����� �� �������������� �� ����� ��� P����� 0&%B%1� ,�� ������ ���� � '� �� ���� ���' *�� ������ �4� �� ��� '� ��� �� ���'������ ���'� ,�� '������ ������� �� ��'� ���� ?��� � ����� ������ �� ���'��� '����������

,�� ������� ���� '��������� *��� ����� ������� ��� ��� �������� ��� ��� ����� �� ,��� � ��� ���'�����6������� ���� '��������� �� !2�) ��� ����� ��,��� !�

� ������� �� ���������

,�� ������ � ��� ���� �� '������ ������� ��������� '�������� ��� ��������� ��������� � �����

,��� &

)��������� ������ ��� �� ��� ����

����� �� *����� 0� )<�F�1 �� ��� 0� )<�F��1

��� &�#8( 8/

�7� &�2&! &&

��� &�B&B &8#

�)8�&#<2�� &�&B2 &%

�)8�&#<2 � �E�!��� &% � 28��&8 � &(� &% � 28�)2�(E< &�%&&2 &8

0� )����1� �� ��� 2 !�������� ��������� 34 5644#7 89#: &!

Page 6: Dynamic simulation of cyclic batch anaerobic digestion of cattle manure

����� �� ���*� �� K���� &5!� -� ����� ?���� ���������� ����� ��� ���'���� �� �+'�������� ��������� �� ���9� �� �� 0&%%/1 ��� ������ ��� ������0&%%21� ���9� ��� ��6*������ 0&%%/1 �������� � ������� �+'�������� �� ��������� ��������� � ��* ����� ����� ���� ���'���6��+ �������� �������� �� ����'�������'�������� ,�� ��� ��������������� ��� ���� '�6�������� ��� ���*� �� ,��� /� ,�� �+'�������� ���� �� ��� ���� � ������� �������� �� ��� ��� ���������� ���� �� ��;����� ��,� ��� ���*� �� K���� &

��� � ���'�������� �� �+'����� ��� �������� �� K��� &���� ���� ����� ��� �+'�������� ���� ���* ��+������� �� ��� ������� '�������� ���� �� ��� �'������, ����� 0�25&2 ����1� ,�� �������� �� ��� �������'�������� ���� �� ��,� ������ ���� ��� �'���� ���� �� � �������� �� ��� ������� ������ ���� 0<>�1�*������� �� ��,� �*�� ���� ��� �'����� ���� ��6������ �� �� �� ��� �� *���6�� ��� ��� ���������� ��� JK�� -� K��� ���� �+'�������� ���� ��� ���6����� ���* �� ����������� ���������� �;��� �� '������

,���

������� '��������� ��� �� ��� ���� 0��������� �� ��� &%%!1

7�������� ��� ��'� ���� ���� ��JK� ��'� ���� ���� �#

O��� ��F ��F ��F ��F ��F ��F ��F ��F ��&

J�� !�& &#�! �# &#�! !�2 &#�! �# &#�! 2�2 &#�! #�#&8 #�#& #�#&2! &�#

7�������� ���+� ���+�7 ���+�� ���+� � � �� ��7 ���

O��� ��& ��& ��& ��& 5 5 5 5 5

J�� 2�# #�2/ #�8B #�8 #�/2/ #�!/ #�22 #�# 2 #�# 2

7�������� '��� '�� '���7 '��7 '���� '��� '��� '��

O��� 5 5 5 5 5 5 5 5

J�� B�#� 2�#� B�2 8�# B�2 8�# B�2 8�#

����@���� 0&%%(1�

,��� !

7�����6������� '��������� �� !2�) 0����� &%% 1

7�������� �* ��& �� ��! ��/

O��� ���� ���� ���� ���� ����

J�� �#82 &#�&/ /�%#% &#�( 2�8 ! &#�&& &�(! &#�2 &�//2 &#�2

7�������� ��2 ��8 �� ��

O��� ���� ���� ���F �� ��&

J�� &�//2 &#�2 &�28( &#�% !(�8(� %%�B/�

������� 0&%B!1�� )��� ��� <I���� 0&%((1�

K��� &� )��'������ ���*��� �+'�������� 0���9� �� ��� &%%/1 ���

'��������� � ������� '�������� ���� �� � ������ � ��,�

K��� � )��'������ ���*��� �+'�������� 0���9� �� ��� &%%/1 ���

'��������� � ������� ���� �� � ������ � ��,�

&/ 0� )����1� �� ��� 2 !�������� ��������� 34 5644#7 89#:

Page 7: Dynamic simulation of cyclic batch anaerobic digestion of cattle manure

'�� ������� �� ��, ��� ���� &2 ���� ��� '������ ���� �� ��, ��� ���� 2 �����

������ ��� ������ 0&%%21 ������ ��������� �����6���� � ����� *���� �� ����'���� ��� ������'�������'������� ���� �������� �����6��' ��������� �� ��� ����6�������� ����� ���� *��� � *������ ���� � ! � ,�� ��� ���'������� ��� ���� '��������� �������� �� ,��� 2� ,�� �+'�������� ���� �� ��� ����� ������ ��� ������� �������� �� ��� ��� �� ��;������������ ������ ����� ��� ���*� �� K��� !� �� '�������� �� ������ ��� ������ 0&%%21 ������ � ��� ���6������ � ���� ������ ��'����� '��'������ �� ����<>�� � ��������� ���*� �� ��� ��� ������� ����� ���������� '�������� ����� =� ��� ���������� �����������*��� ��� �+'�������� ��� ���� ����� �� ����

<>�� �� K���� &5! ��� �� �� �� ��� ��*��� ��6��'����� ���� ������ � ��� ��� � ��'� ����A&� ,�� ������ �������������� � '��'������ ��� �������

*��� ����� �� @���� � ,�� ��� �������������� � '��'������ ��� �������

�� K���� & ��� *��� ����� �� @����!� ,�� ������ ������������� � ������� �� K��� ! *�� ��6

��� �� #�& ��F�/� ,�� ��� ��� ������ �������������� � ������� �� K���� &

��� *��� ����� �� ��� ���� JK� �� ����� �� ,��� /�2� ,�� ��� ��� ������ �������������� � ���� ��6

������ *��� ����� �� &#N � ���� �������� ���������6���� �� ��� ����7��������� � �'���� ��, �� ��'������ �� ������

���������� -� K��� /� ��� ������ � ��� ���� �� '��6������� � �'���� ��, �� ���*� �� � ���� ���������� ������� ���� ��;����� ��� ���� )<� ������6��������� ,�� ��� ��������������� ��� �'������� �����6����� ��� �� K���� /5B ��� ��� ���� �� ����� ���� �������� �� ,��� /� �� ���*� �� K��� /� ��� �'���� ��, �� ��� ����� �������� �������������� ������ ��� &# ��&2 ����� =���� �� ��,� ������� ���� ��� �'����� ���������� ���� �� ����� �������� *��� �� ��,� ��������� ��� �'����� ��� ���� ��������� ����'� ��� ���'������ �� ������� ,���� ���� ���������� ������� ���6��� ���� �� ��� ������� *����� ������ ������ �;������� �� ������� �� �� ���������� ��H��� �������� ���6���������� ������� � ���������� ��,�

,�� �;��� � ��� ���� ������� � ������ �� ��� ���'�������� �� � ������ � ���� *�� �������� ,��������� ������� ����� ��� ���*� �� K��� 2� �� ��� ������ ��� ?����� ��� '�� ������� � � ������� �� �� ����� ����� �� ������ ���� ��� �� *����� ��� �� ��� ��

K��� !� )��'������ ���*��� �+'�������� 0������ ��� ������� &%%21

��� '��������� � ��� '�������� ���� �� � ������ � ������� ������

���� �� � ���'������ � /#�)�

,��� /

)�������������� � ��* ����� ��� '��������� ��� �� ���������

7�������� J��

,��� )<� /(�& �F

,��� JK� 2�& �F 0������ ����1

,��� ������� �# � EF

'� B�#

� !2�)�� & ���

�* #�#2( ���

� &�#

�� &#N �=��� )<� &#N ���� )<�

-����� �������� ������������� #� �F

-����� ���������� � ������� ,�� ���� �� ���

���������������

�� #�(2

�� #�& �� �������� �

�������� �������

,��� 2

)�������������� � ��* ����� ��� '��������� ��� �� K��� !

7�������� J��

��, &!� &#� %� ��� 2 ����

>������ ���� !� 8� %� ��� & �J=F �

�� &� &� &� ��� #�2 ���

NJ= ((�(N ,=

JK� �BN ,=

E��/ #�2 N ,=

,��� ������� B&N JK�

,��� '��'������ & N JK�

,��� ������� 2N JK�

'� (�#

� /#�)�� & ���

�* #�#( ( ���

� !

��

=��� J= &#N ���� J=

-����� �������� ������������� #� �F

-����� ���� ������� #�& ��F

<���� ������ ���������� �

�������

,�� ���� �� ���

���������������

�� #�22

0� )����1� �� ��� 2 !�������� ��������� 34 5644#7 89#: &2

Page 8: Dynamic simulation of cyclic batch anaerobic digestion of cattle manure

���� ���� ��� ������6����� ����� �� *���� ����� ������'������� ��� ��'����� �� ���� ������ �������� -� K���2 ��� ������� �������� � ������� ���������� ������� ����� �������� �� ��� ���'���� �� � ��������������� ���� ������� ������� �� ������ �� #�& ���� -����� �+��'� �� ��� �� ���� ���� �� ������6����� �����6������ ��� ���� ������� '�������� �� � )=,� ��������� ��� ���� �� � ���� ����� ����� ������� �� ����������� �� � *���� ����� ����� �������� < ����� �������� ��� �� ���������� �� � ����� ��������� O������� ������� ��������� �� �+'������� �� '������ ��

� ������ ���� ���� �� ��� ��������� ��������� '�������K�� �+��'�� �� ��� ��������� � ��� '������� �����6������� �������� 4���� ������ ��� ������� �+������ ����� �������� ,��� ��� �+'���� � ����� '��� �� �������'�������� �������� ����� ��� ���� ���� � ��� '������0K��� 21� ,�� ������ � ���� '��� ������ � �� ��������� ������������� � ������������ �������� �� ��� ��6������ =���� ��� ������ ������� ��� ������������ ���6����� �������������� ���� ���� ������ �4� �� � ����������� ��� ������ � ��� '��� �� �������� �4� �� ������ ����� �� K��� 2�

K��� (� ���� '��������� �� ������� ���������� �� � ������ � ����

�� ������ ������ ������� �������������� ��� ��, &2 ���� ���

�� & ����

K��� 2� )��'������ ���*��� ������� ������� � ������� ����������

�� ��;����� ������ ���� ���������

K��� /� ���� '��������� �� ������� ���� �� � ������ � ��, ��

�� & ��� ��� ������ )<� �������������� � ����

K��� 8� ���� '��������� �� ������� ���������� �� � ������ � ����

�� ������ ������ '� ��� ��, &2 ���� ��� �� & ����

&8 0� )����1� �� ��� 2 !�������� ��������� 34 5644#7 89#:

Page 9: Dynamic simulation of cyclic batch anaerobic digestion of cattle manure

,�� �;���� � ������ '� ��� ������� ��������������� ������� '�������� �� ��� ���� ����� ����� ���������� ���*� �� � ������ � ���� �� ��, &2 ����� ��K���� 8 ��� (� ���'�������� �� ��� �� ����� ��� ������6����� ����� ��� ��� ���� �� '� B ��� 8� ��� ������ � ���� ������ ������� '�������� 4���� ���������� ,������ ����� ��� �������� �� ������ ������� ������6�������� �� ��� ����� 5! � EF� ,���� ����� ��� ���+'����� �� �������� �������� �� �� ��� E�!5JK�6'������������ ��� ���� �;����� ��'����� � �����0����������� �� ��� &%(/1�

,�� ����� � )< �������� �� ��� �4��� '���� � ��� �������� �� ��H����� �� � ����� � ������ ��� �����'������� '����� '������� '�� ��H��� ������ )<

�������� ����� ��������� ��� ��� �������������� ����� � ������� ��� )< �������� �� ��� ������������� � ������������ -� K��� B ������� ������� ����� �� �������� � ��� )< �� ��� �4�� '���� ��� ���*� �� ������� ����� ����� ������� �� !2�) ��� ��;����� ��, 0 2��� ! ����1� ,�� ������ ��� �� K��� B ��������� ��� ��6����� ���*��� �4������ ��� )< �� ��� �4�� '������� ��� '����� '������ � )< �� ��� ��� '����� *������ �����I� �*� �� ���*� �� K��� B �� ��, 2 ��������� � ��� �'������� ���� '����� � �� ��� �4���������� *������ �� ��, ! ���� ���� � ���� �� ������� ��� �4������ ���� ,���� ���� �� ���� �����'6���� � ��������� ��������� ��� ��� ���'��� ��������*� ��� ����� ���� ��� ��� )< ������������� �� ����4�� '���� ��*� ��� �4������ ���������� �� �����,� 0������� ���� 2 ����1�

� �����������

,�� �* ���*�� ���� � �������������� �� ������������������ '�������� ���� �� ��� �� � ���� ��,�� ��6'����� �� '�������� ���������� ,���� ���� ��� ���������� �������� ��� ������������ ��� �� ������������������ � ���'�+ ���������� ,�� '�� ��������4������ �� ������� �������� � ����� ����� ����6���� �� *��� ����� ����� ���� ���� �����'�� �� ����'�'��� �� ������ �� � ��� �������� ������ ����'���� �'������� ���������� ��� �� �'���� ��,��� �� '�������� �� ��;����� ����������� ,�� ����� � ��� '������ ���� ���* ���� �� '�������� *��� ��,������� ���� 2 ����� ���5�4�� ������������� �4���6��� ��� �� ������ �� ������ ���'������ � ���������� -� *�� ��� ���*� ���� ��� ���� �����'������ ��� ������� ��������� �������� �� ����������� �� 0&%%!1 ��� �� ����� ������� �''��� �� ����'�����+'�������� �����

����������

���������� -�� ������� ����� &%%!� ,�����'���� ��������� ���������

� �������� *����A ��� �;��� � �������� �''� ���������

���������� !B� 28#528/�

���������� -�� :������� >�� ������� ����� &%%!� � �����������

���� �� ������� �������� � ��������� ��������� � ���'�+

���������A ������ �� ������� ����������� �������� ������� / �

&2%5&88�

������� ����� &%B!� :�@��� ��������� ,������ 2� &8 5&8(�

���9�� ��� =�����@� :�� P������ 7�� ,�������� >�� ������� ��� &%%/�

�������� � ��������� ��������� � ��* ����� *��� �������

�������@�� �� @������ )���� :��� "� 2/� �%5�&/�

)���� ����� <I����� ��)�� &%((� P���� ,������ %� ( (5(! �

����� "���� &%% � >����I� �������� � )��������� �������� ���

�����* ��� E�* Q����

������������ ��� =������� ����� -�������� :�-�� ���� � =�7�� �����*��

"�K�� &%(/� �;�� �������� �� ����� ���������A �����������

������� ��� ������ � ��������� ���������� ������ P�����

�-)�: =��'� =��� &!8� &#&5&!&�

������ )�K�� P������ 7�<�� &%B%� �''� E���� ����� ���� ���

�������6P����� �������� ���

��� ��,�� &%B � � ���'��������� ������� ���� �� ����� *����

��������������� ,����� �=�: 2� &!(/5&!B#�

���@����� =�J�� &%%(� ����� ��������� ��������� � ����� ��� ���

����������� �������� ���������� ,������ 2%� /%5 2B�

������� -�"�� ��)����� 7�>�� &%82� )����� ��+����� ��� �����6

���� �� ��������� ���������� "� P���� 7��� )����� K��� !(�

%(5&&8�

������� ��-�� ������� ��7�� &%%2� ��������� ��������� � ����� *����

�� ����'���� ��� ������'���� ���'������� �''� ���������

���������� /!� !/85!2#�

E����� ,�� :���� ��� "6��� )�� Q������ "�� ��������� "�� &%B2�

)�������������� � ������������ ����������� ��� ���� ������� ���'

�� ��������� ���������� �������� ������� (� &/B 5&/B%�

C������ ��� P������� P���� ������6,��;���� ��:�� >�������� ���

&%B2� ,�� ��H���� � � ���� ������� ������������� �� ���

������'���� ��������� � ��* ������ ������ P����� &/� &%5!2�

K��� B� )��'������ ���*��� ������� ������� � )< '����� '���6

��� ��� ������������� �4������ ���� �� � ������ � �4��

)< 6 ��� ������������� �� ��, 2 ��� ! ���� ��� �� & ����

0� )����1� �� ��� 2 !�������� ��������� 34 5644#7 89#: &(